
FF总线的H1网卡分为有源网卡和无源网卡两种。在非防爆的应用场合,有源H1网卡可直接向现场总线配电来驱动现场仪表,而无需额外配电。如图1所示。


例1:现场总线配电器应用中,现场总线挂接现场仪表数量和电缆长度的估算。
配电器:KLD2-STR-1.24.400.IEC
配电能力:24VDC/400mA
FF总线变送器耗电:9V/17.5mA
FF总线阀门定位器耗电:9V/26mA
FF现场总线A型电缆分布电阻:44欧姆/km
1)现场仪表挂接数量:
变送器:400 ÷ 17.5 = 22.8
定位器:400 ÷26 = 15.3
所以,每根总线可挂接22台变送器或15台阀门定位器。实践中,DCS通常规定每段H1总线挂接现场仪表的数量,如16台,其中阀门定位器为4到8台。
2)电缆长度:假设总线上挂接8台变送器和8台阀门定位器。
则现场仪表耗电总额为
( 8 x 17.5 ) + ( 8 x 26 ) = 348mA
允许总线电缆的压降为
24 - 9 = 15V
允许电缆总电阻为
15V ÷ 348mA = 43.1欧姆
电缆长度为
43.1 ÷ 44 = 0.980 km
所以,当总线上挂接8台变送器加8台阀门定位器时,电缆长度可达980米。
FF现场总线的高可靠性配电
由于每段现场总线上的十多台仪表由共同的配电器配电,用户很自然的会担心配电器的可靠性。

不能。因为如果将稳压电源接在H1总线上,则稳压电源的负载稳压作用会努力将H1总线上的通讯信号抑制掉,从而破坏FF的通讯。FF适配电路中的主要部件就是低通滤波器,用于隔断FF通讯信号与稳压电路的联系。
问题2:能不能将两台FF配电器直接并联在H1总线上来实现冗余配电呢?
不能。因为两台配电器一旦并联,其中各自的低通滤波电路也就并联了,这将改变滤波特性,并破坏阻抗匹配。
FF高可靠性配电方案一:冗余的有源FF适配器

FF高可靠性配电方案二:FPC+冗余配电

P+F公司根据用户寻求高可靠性FF配电的最终目标,独创推出了更切合实际的FPC+冗余配电的新方案,如图5所示。这一方案的核心创意是将FF适配器从FF配电器中分离出来,采用高可靠性的无源器件制成独立的、具有足够高可靠性的FF电源适配器FPC。同时配合冗余的稳压电源的和相应的配电附件。最终使整个FF配电方案达到用户的实际要求。
本方案中,非冗余的FPC为无源适配器,型号为KLD2-PC-1.1.IEC,具有5000年MTBF的超高可靠性。电源模块KFD2-EB.R4A.B-Y44151是配合冗余的稳压电源的配电附件,功能为将冗余的稳压支流电下装到电源轨道(PR-03)上,通过FPC给H1总线供电。
本方案的配电能力可大大超越图3和图4方案中的配电器。KLD2-PC-1.1.IEC的配电电流为1A,电压可高达32VDC。可见这个方案在提供高可靠性配电的同时,还进一改善了FF现场总线的应用条件。
现场总线的连接结构及相关技术
现场仪表的连接结构、连接器件的功能和连接施工质量对现场总线的应用和维护起着至关重要的作用。因为60%以上的应用问题和通讯故障可能与现场总线仪表的连接有关。与传统模拟量仪表连接结构比较,现场总线仪表的连接具有以下诸方面的特殊课题。
一、总线网端(又称终端电阻)
在现场总线主干线的两端必须设置网端。IEC61158-2中描述的标准测试总线网端为电阻100W串联电容1mF。
作为独立产品,网端有DIN轨安装型的和螺纹安装的。但是,为了简化应用,现在人们更倾向于将网端集成在其他现场总线产品中,以避免单独购买。在控制室一端,通常将网端集成在配电产品,如FF适配器、FF中继器、FF隔离栅、DP/PA网桥之中。在现场一端,则集成在各类接线盒中。
二、主干线和分支


现场总线电缆网络有主干线和分支之分,如图6所示。IEC61158-2除对主干线和分支的电缆长度总和有不超过1900米(A型电缆)的限制外,对分支的电缆长度也有明确的建议,如表1所示。
目前的实践中,FF总线的H1通常挂接8-16台现场仪表。设计现场总线电缆网络时必须充分注意分支电缆长度的限制。
三、T型接头和接线盒
仪表连接附件是现场总线应用的关键部分之一,其费用所占仪表投资的比重也比较大。这与模拟量仪表的应用场合有显著的区别。这是因为现场总线的连接附件不仅关系被连接仪表本身,还会影响整个现场总线段落。

图7所示的T型接头连接结构是现场总线早期应用的连接结构。其特点是简单直观,容易理解。但在实践中存在两个突出的缺点:第一,主干线电缆的断点很多。每接一个仪表,主干线电缆就断一次。不仅施工不便,可靠性也不易提高。第二,T型接头安装点多,现场巡检工作量大,查找问题困难。

图8所示为接线盒连接结构,又称鸡爪式结构。它避免了上述T型接头结构的缺点。但值得注意的是,由于分支电缆长度有限,接线盒的安装位置需要谨慎选择。
作为上述两种结构的折中,在实际项目中经常采用一段总线上安装2-4个接线盒,每个接线盒连接4-8台现场仪表的灵活结构。这是目前比较流行的连接结构。
四、短路保护
现场总线H1段落的短路保护是非常重要的。因为一根H1总线电缆上经常连接着8-16台现场仪表。如果某个分支发生短路,则整个段落都短路,该段落上的所有仪表都停止工作。而且,检查和排除这个故障将十分困难。因为工程师无法立即判断出短路发生在哪个分支。他必须逐一检查所有分支。
P+F公司推出的段落保护接线盒(Segment Protector)是解决上述短路问题的有效手段。这种带有4、6或8个分支的接线盒,对每个分支实施短路保护。任何一个分支的短路,都不会影响主干线和其他分支的正常工作。此外,如果某分支发生短路,在主机上可立即确认故障仪表位号,因为未发生故障的仪表都在正常工作。段落保护接线盒在现场还设置有故障指示灯,方便故障检查。
需要注意的是,短路保护需要额外耗电。当某分支短路时,该分支的短路保护电路将耗电45mA。这通常是仪表耗电的两倍多。所以在根据配电器容量计算每个段落挂接仪表数量的时候,必须将这个因素考虑在内。如果采用上述P+F公司的高可靠性配电方案,FF总线的配电可达1A,为应用段落保护接线盒提供了充足的配电保证。
现场总线的防爆方案
从防爆原理的普遍意义上讲,所有现行的防爆方法都可以应用于现场总线的防爆。实践中,针对现场总线所呈现的特殊应用条件,比较常见的现场总线防爆方案有以下三种:
一、增安型防爆的主干线,本安型防爆的现场仪表
这是目前较为先进的防爆方案,应用前景最好。其应用特点为:
·总线配电可采用高可靠配电方案,与非防爆场合应用的配电方案一致。
·兼备隔离栅和接线盒功能的现场安全栅(Fieldbarrier)本身通常为增安型和浇封型防爆,可安装在危险区Zone 1。内含隔离栅为EEx ia IIC。兼容FISCO和ENTITY。
·现场总线的主干线采用增安型防爆。从而允许为现场总线提供足够的配电。
·现场仪表为本质安全型防爆,FISCO和ENTITY均可。在一个总线段落中可混合应用。可安装在任何危险区。
·每路本安分支均有独立的短路保护。任何一路仪表短路,都不会影响其他仪表和主干线的工作。
·所有现场仪表的维护、拆装可带电操作。
·主干线电缆的长度和分支电缆的长度只受现场总线协议的约束(电缆总长1900米,分支见表1),不受FISCO规定的电缆长度总和不超过1000米和每分支不超过30米的限制。
二、本质安全型的主干线和分支
这是现场总线初始应用阶段最常用的防爆方法。在几年前是唯一被现场总线允许采用的防爆方法。其应用特点为:
·主干线和分支均为本安防爆。所以主干线和分支均可带电维护操作。
·现场仪表本安防爆分FISCO和ENTITY认证两种。每个现场总线段落建议只采用其中一种,不推荐混合。其中以FISCO认证仪表在应用时较为方便。
·含安全栅的配电设备通常安装在控制室。这类设备包括总线隔离栅、本安中继器、本安配电器等,分FISCO和ENTITY认证。以FISCO认证在应用中比较方便。
·由于安全栅不能冗余,所以这一方案中没有如前所述的高可靠性的配电。
·由于本质安全防爆限制去现场的能量,使得本安主干线的供电能力有限。每根总线挂接现场仪表的数量较少。
·主干线电缆长度和分支电缆长度都受到很大限制。在FISCO认证下,电缆总长1000米,分支30米。同时,配电能力也对主干线的长度形成限制。
·实践中有通过降低本安配电设备的防爆等级以求获得较大配电能力的做法。比如将本安配电器的防爆等级从EEx ia IIC降为EEx ib IIB,以获得12.8VDC/250mA的配电能力。但是,应用时必须注意,这种配电器的安全认证参数是否与现场仪表的安全认证参数相匹配。
·由于本安防爆的能量限制,而短路保护又需额外能量,此时应用短路保护比较困难。
三、无火花型防爆或增安型防爆的主干线,隔爆型防爆的现场仪表
由于在传统的模拟量仪表应用中很多用户和工程公司已经习惯了应用隔爆型防爆,所以这种防爆方案在现场总线的应用中仍然比较常见。其应用特点为:
·总线配电可采用高可靠配电方案,与非防爆场合应用的配电方案一致。


